Strömingsbild i spillvatteninstallation: En studie på spridningsfenomen av spillvatten till golvbrunn

EXAMENSARBETE INOM TEKNIK, GRUNDNIVÅ, 15 HP

STOCKHOLM, SVERIGE 2020

Strömningsbild i

spillvatteninstallation

En studie på spridningsfenomen av spillvatten till golvbrunn

SANDRA EDSTRÖM JESSIE STACHOWICZ

KTH

SKOLAN FÖR ARKITEKTUR OCH SAMHÄLLSBYGGNAD

TRITA ABE-MBT-20312

www.kth.se

Sammanfattning

Ett avloppssystems syfte är att avleda spillvatten med säkerhet för användaren, det är därför viktigt att den hydrauliska prestandan i systemet är garanterad för den avsedda tillämpningen.

Spillvatteninstallationer i Sverige ska därför utföras korrekt enligt lagkraven i Plan- och bygglagen samt funktionskraven i Boverkets byggregler. Idag används riktlinjerna i svensk byggnorm SBN 80 och den svenska standarden SS-EN 12056-2 för dimensionering, dock har det observerats fekalier i duschens golvbrunn även fast att dessa riktlinjer har följts. Projektets frågeställning är därför: Varför hamnar fekalier i duschens golvbrunn?

Projektet inleds med en litteraturstudie om den teoretiska bakgrunden av strömningsmekanik i cirkulära halvfyllda rör och befintliga studier på den hydrauliska prestandan i avloppssystem. För att besvara frågeställningen används en experimentell metod. Experimenten behandlar en undersökning av strömningsbild och bakspolning på två olika installationer som är dimensionerade enligt SBN 80.

Det empiriska resultatet visade tydligt att positionen av förminskningen till anslutningsledning från

duschbrunn har en stor betydelse för risken av bakspolning. Slutsatsen blev att en position i

överkant på den liggande stamledningen ger en definitiv lösning för att stoppa bakspolningen helt.

Abstract

The purpose of a sewer system is to divert wastewater with safety for the user, therefore it is important that the hydraulic capacity of the system is guaranteed for the intended application.

Wastewater installations in Sweden must therefore be installed correctly in accordance with the statutory requirements of the Planning and Building Act and the functional requirements of Boverket's building rules. Today, the guidelines in Swedish building standard SBN 80 and the Swedish standard SS-EN 12056-2 are used for constructing the installations, however, fecal have been observed in the shower well even though the guidelines have been followed. The project's question is therefore: Why does fecal appear in the shower well?

The project begins with a literature study on the theoretical background of flow mechanics in circular semi-filled pipes and existing studies on the hydraulic capacity of the drainage system. An experimental method is used to answer the issue of the study. The experiments deal with a study of the flow pattern and the backflow on two different installations that are dimensioned according to SBN 80.

The empirical result clearly showed that the position of the reduction to the shower well connection

pipe is of great importance for the risk of backflow. The conclusion was that a position at the top of

the horizontal pipe provides a definitive solution to stop the backflow completely.

Förord

Vi ville med detta förord tacka alla de som har engagerat sig i projektet och erbjudit sin erfarenhet samt sitt stöd. Exempelvideos på experimenten finns tillgängliga på youtube-kanalen ”Projekt Bakspolning KTH”

Vi vill först tacka vår handledare Joachim Claesson på KTH som har bistått med stöd genom hela projektet.

Vi vill tacka Fredrik Runius som har varit vår kontaktperson på Säker Vatten. Fredrik har bjudit in oss till Säker Vatten för möten och diskussioner med honom samt ytterligare kompetenta personer inom VVS-installationer vilket har varit otroligt givande.

Vi vill även tacka Olle Månsson som har varit vår kontaktperson på Geberit som har bistått med

material till konstruktion av installationerna.

Innehåll

1. Inledning ... 1

1.1 Hållbar utveckling ... 1

1.2 Problemformulering ... 2

1.3 Målformulering ... 2

1.4 Struktur på rapporten ... 2

2. Bakgrund... 4

2.1 Dimensionering av VVS-installation ... 4

2.1.1 Colebrooks White och Mannings ekvation ... 6

2.2 Hydraulisk energi och energiförluster ... 8

2.3 Självrensande kapacitet ... 9

2.3.1 Vattenansamling ... 10

2.3.2 Transport av fasta partiklar ... 10

2.4 Hydrauliskt hopp... 11

2.6 Tryck... 13

2.7 Strömningsbild i Y-gren ... 14

3. Metodbeskrivning... 16

3.3 Avgränsningar ... 16

3.4 Experiment ... 17

3.4.1 Installation 1 – Positionering av förminskning ... 17

3.4.2 Installation 2 – Positionering av WC ... 19

3. Resultat ... 20

3.1 Resultat installation 1... 20

3.1 Resultat installation 2... 23

5. Diskussion ... 25

5.1 Analys av empiriska resultatet ... 25

5.2 Övriga observationer ... 26

5.3 Framtida studier ... 28

6. Slutsats ... 29

Referenser ... 30

Bilaga 1 Empiriskt resultat - installation 1 ... 33

Bilaga 2 Empiriskt resultat - installation 2 ... 34

Bilaga 3 Bilder på samtliga experiment ... 35

Figurförteckning

Figur 1 Godtaget ledningsfall beroende på sannolikt spillvattenflöde och innerdiameter enligt SBN 80 ... 5

Figur 2 Samlingsledningar och anslutningsledningar ... 5

Figur 3 Geometrin på flödet hos halvfyllda cirkulära rör ... 7

Figur 4 Illustration av energilinje ... 8

Figur 5 Illustration av nedböjning i rör. ... 10

Figur 6 Verkande krafter på en partikel ... 11

Figur 7 Definition av hydrauliskt hopp ... 11

Figur 8 Lutande rör med okulärt hydrauliskt hopp. ... 12

Figur 9 Lutande rör med direkt hydrauliskt hopp ... 13

Figur 10 Lutande rör med ofullständigt hydrauliskt hopp ... 13

Figur 11 Illustration av olika anslutningar till stående stamledning ... 14

Figur 12 Strömningsbild i en Y-gren hos rektangulärt rör. ... 14

Figur 13 Illustration av kompakt våg ... 15

Figur 14 Strömningsbild i en Y-gren hos rektangulärt rör ... 15

Figur 15 Skiss på ett badrum enligt normalnivå med grundläggande tillgänglighet ... 16

Figur 16 Illustration på VVS-installation med samtliga förgreningar, rör och vinklar ... 17

Figur 17 Illustration av de olika positionerna för förminskning. ... 18

Figur 18 Illustration på VVS-installation med samtliga förgreningar, rör och vinklar ... 19

Figur 19 Mätvärden presenterade i diagram från experiment med installation 1 del 2 med spolvolym 4 liter och förminskningen i underkant ... 20

Figure 20 Mätvärden presenterade i diagram från experiment med installation 1 del 2 med spolvolym 4 liter och förminskningen i mitten ... 21

Figure 21 Mätvärden presenterade i diagram från experiment med installation 1 del 2 med spolvolym 2 liter och förminskningen i underkant ... 22

Figur 22 Sammanställt resultat från diagram 19 till 21... 22

Figur 23 Mätvärden presenterade i diagram från experiment med installation 2 med spolvolym 4 liter. ... 23

Figur 24 Mätvärden presenterade i diagram från experiment med installation 2 med spolvolym 2 liter ... 23

Figur 25 Mätvärden presenterade i diagram från experiment 2 med spolvolym 2- och 4 liter ... 24

Figure 26 Illustration på observerad flödesriktning under experiment för position av förminskningen ... 26

Figure 27 Illustration på vattendjup vid olika rördiameter... 28

Tabeller

Tabell 1 Teckenförklaring för figur 20 ... 17 Tabell 2 Teckenförklaring för figur 22. ... 19 Tabell 3 Mätvärden erhållna på bakspolning från experiment med installation 1 del 1 ... 20 Tabell 4 Redovisad sannolikhet för bakspolning, medelvärde på avstånd samt standardavvikelsen för medelvärdet från erhållet resultat enligt figur 23 och exakta mätvärden i bilaga 1. ... 21 Tabell 5 Redovisad sannolikhet för bakspolning, medelvärde på avstånd samt standardavvikelsen för medelvärdet från erhållet resultat enligt figur 24 och exakta mätvärden i bilaga 1. ... 21 Tabell 6 Redovisad sannolikhet för bakspolning, medelvärde på avstånd samt standardavvikelsen för medelvärdet från erhållet resultat enligt figur 25 och exakta mätvärden i bilaga 1. ... 22 Tabell 7 Redovisad sannolikhet för bakspolning, medelvärde på avstånd samt standardavvikelsen för medelvärdet från erhållet resultat enligt figur 27 och exakta mätvärden i bilaga 2. ... 23 Tabell 8 Redovisad sannolikhet för bakspolning, medelvärde på avstånd samt standardavvikelsen för medelvärdet från erhållet resultat enligt figur 28 och exakta mätvärden i bilaga 2. ... 24

Nomenklatur

Ord Benämning

Anslutningsledning Avloppsledning med en ansluten avloppsenhet

Bakspolning Flöde i motsatt avsedd riktning i anslutningsledning från duschbrunn Bjälklaget Bärande konstruktion mellan våningar med utrymme för VVS-installation Installation Konstruktion för vatten, avlopp, ventilation

Luftad Ventilerad ledning

Luktlås Vattenlås som förhindrar spridning av odör Nominell diameter Tillverkarens specifikation på diameter Normflöde Det dimensionerad flödet från anslutning

Oluftad Ej luftade ledning

Samlingsledning Avloppsledning med två eller flera anslutna ledningar

Sanitet Vatten och avlopp

Spillvatten Avloppsvatten

Tröghet Benägenhet att stå emot hastighetsförändring Förkortning

VVS Värme, Ventilation och Sanitet

VA Värme och Sanitet

DN Nominell diameter

1

1. Inledning

Optimering av vattenförbrukning är ett aktuellt ämne på grund av den höga befolkningstillväxten i världen och på den senaste tiden har detta lett till alltmer effektiva sanitära apparater (Baroni et al 2018, s.10). Dessa effektivare sanitära apparater kräver inte lika mycket vatten i drift och återför lägre flödeshastigheter än vad de äldre sanitära apparaterna gör (ibid). Baroni et al (2018, s.10) menar att metoderna som används för dimensionering av spillvatteninstallationer (VVS-installationer) i kombination med de nya lägre flödeshastigheterna gör att prestandan i avloppssystemen minskar.

Han menar att de lägre flödeshastigheterna gör att det bildas lägre vågor vilket påverkar den självrensande effekten negativt i rören (ibid).

Det är viktigt att spillvatteninstallationer är dimensionerade korrekt för att de ska vara säkra och hälsosamma för användaren (Säker Vatten 2016, s.5). VVS-installationer i Sverige ska följa lagkraven i Plan- och bygglagen samt funktionskraven i Boverkets byggregler för att uppfylla kraven för säkra och korrekta installationer (ibid). Idag används svensk byggnorm SBN 80 och den svenska

standarden SS-EN 12056-2 vid dimensionering av avloppsinstallationer.

Besiktning av nya byggnader har vid ett flertal tillfällen lett till att företaget Säker Vatten har kontaktats beträffande observation av fekalier i duschens golvbrunn. Orsaken bakom detta har misstänkts att vara en inkorrekt installation, dock har detta motbevisats när golvet har brutits upp.

Problemet med fekalier i golvbrunnen hos dusch uppstår således trots att svensk praxis har följts.

Detta arbete kommer att undersöka hur strömningsbilden i en VVS-installation dimensionerad enligt SBN 80 påverkas av spillvattnets spridningsfenomen vid en y-gren och hur detta bör tas till hänsyn vid dimensionering.

1.1 Hållbar utveckling

Begreppet hållbar utveckling har en historia som är nära sammankopplad med ekologiska system och naturen (Lindén 2007, s.7). I Brundtland-kommissionen från 1987 lades dock en stark betoning på innebörden av att samhälleliga processer är nära sammankopplade till effekten på ekologiska system och nyttjande av naturresurser (ibid). Kommissionen anser att mänskligheten kan hålla en hållbar utveckling och samtidigt tillgodose både nutida och framtida generationers behov

(Brundtland 1987, s.12). Enligt Lindén (2007, s.7) är det huvudsakligen antropogena processer och effekter som resulterar i den negativa klimatpåverkan som vi ser idag. För att uppnå en hållbar utveckling hos både ekologiska och sociala sfärer är det väsentligt att anknyta de ekologiska och samhälleliga faktorerna (ibid).

För Agenda 2030 har ett ramverk utformats för arbetet mot en hållbar utveckling genom att sätta globala mål och indikatorer för detta (United Nations Statistics Division (UNSD) 2018, s.7). Mål 6 innebär att en hållbar hantering och tillgänglighet av sanitet och vatten ska säkerställas för alla (ibid).

Detta mål är nära sammankopplat med kapaciteten hos avloppsystem eftersom dess grundläggande

syfte är att skydda människor från eventuellt skadliga ämnen och sjukdom (Gormley & Jean 2012,

2

s.266). I Sverige tillämpas Miljöbalkens bestämmelser vars syfte är att främja en hållbar utveckling (Regeringskansliet 2019). Enligt Miljöbalken i 9 kap. 7 § ska besvär för miljön och människors hälsa undvikas vid avledning och rening av avloppsvatten genom att passande avloppsanordningar samt andra inrättningar verkställs (ibid). Både Mål 6 från Agenda 2030 och Miljöbalkens 9 kap 7 § har en nära sammankoppling till vårt projekt eftersom projektet grundar sig i att säkerställa en god

hantering av sanitet och vatten.

1.2 Problemformulering

Problemet med fekalier i golvbrunnen hos dusch verkar uppstå trots att svensk praxis har följts.

Projektet avser därför att besvara frågeställningen: Varför hamnar fekalier i duschens golvbrunn?

För att besvara frågeställningen kommer detta arbete att behandla samtliga delfrågor:

• Vilken inverkan har positionen av förminskningen till anslutningsledning från duschens golvbrunn på strömningsbilden?

• Uppstår det någon skillnad på flödet vid olika placeringar av WC?

• Vilken inverkan har en Y-gren på strömningsbilden?

1.3 Målformulering

För att uppfylla syftet av projektet har samtliga delmål tagits fram:

• Bestämma sannolikheten att bakspolning inträffar vid olika variationer hos konstruktionen.

• Experimentellt bestämma inverkan strömningsbilden kring en Y-gren har på bakspolning.

• Experimentellt bestämma om hydrauliskt hopp sker och i så fall när, vart samt varför.

1.4 Struktur på rapporten

Rapportens struktur är ämnad att först ge en grundläggande förståelse både för hur

avloppsinstallationer dimensioneras i Sverige och för hur strömningsbilden ser ut samt vad den påverkas av i cirkulära rör. Med hjälp av denna förståelse ska resultatet sedan kunna tolkas och därmed en slutsats rapporteras.

Rapporten börjar med kapitel 2. Bakgrund som innehåller en sammanställning av en litteraturstudie med fokus på strömning i halvfyllda cirkulära rör och på internationella studier kring avloppssystem.

Kapitel 2 börjar med avsnitt 2.1 Dimensionering av VVS-installation som sammanfattar riktlinjer för

dimensioner enligt SBN 80 och Svensk Praxis. Därefter följer avsnitt 2.2 Hydraulisk energi och

energiförluster som sammanfattar vad vattnets energi är för något och vad det påverkas av samt i sin

tur hur strömningsbilden påverkas av detta. Sedan följer avsnitt 2.3 Självrensande kapacitet som

sammanfattar varför den självrensande förmågan hos avloppsrör är viktigt och vad den påverkas av.

3

Därefter följer avsnitt 2.4 Hydrauliskt hopp som sammanfattar vad ett hydrauliskt hopp är, hur det bildas och vad det har för påverkan på kapaciteten i systemet. Sedan följer avsnitt 2.5 Tryck som sammanfattar hur tryck och tryckskillnader kan påverka den hydrauliska kapaciteten. Kapitel 2 avslutas med avsnitt 2.6 Strömningsbild i Y-gren som sammanfattar hur strömningsbilden ser ut i en Y-gren hos rektangulära rör, detta ger även en bild på hur experimentet för installation 1 utspelar sig i cirkulära rör.

Rapporten fortsätter sedan med kapitel 3. Metodbeskrivning där den experimentella metoden för arbetet beskrivs för varje installation. Därefter kommer kapitel 4. Resultat som innehåller

presentation av resultatet från experimenten i form av diagram samt tabeller, de exakta värdena på

det empiriska resultatet finns under Bilaga. Rapporten fortsätter med kapitel 5.Diskussion där en

diskussion av det empiriska resultatet med en anknytning till litteraturstudien förs. Rapporten avlutas

med 6.Slutsats med slutsatser för frågeställningen och samtliga delfrågor. Därefter följer Referenser

och Bilagor.

4

2. Bakgrund

2.1 Dimensionering av VVS-installation

Idag installeras allt mer effektiva sanitära apparater som återför lägre flödesmängder till

avloppssystemen och dessa system dimensioneras fortfarande enligt svensk praxis samt SBN 80 som utformades i enlighet med de äldre och större flödesmängderna. Kraven i SBN 80 för VVS-

installationer är utformade för att ge en säker avledning av spillvattnet och detta kan antingen

utföras med tryck-vakuum eller med självfall, i Sverige används mest självfallssystem (Boverket 1980, s.429). Några utav kraven i SBN 80 för utföring av installationer är att olägenheter inte ska störa kapaciteten i systemet och att dessa ska kunna avledas, samt att tryckförändringar som kan bryta luktlås inte ska kunna uppstå i systemet (ibid, s.434). För att behålla en balans i trycket hos systemet krävs det att systemet ventileras eftersom det bildas tryckskillnader hos de liggande- och stående ledningar (Baroni et al 2018, s.10). Tryckskillnaderna uppstår på grund av de olika typerna av flöden som bildas i olika typer av ledningar, se t.ex avsnitt 2.1.1 Colebrooks White och Mannings ekvation (ibid).

SBN 80 listar godtagna värden på normflöden hos avloppsenheter där exempelvis en golvbrunn eller WC med dimensionen 100 mm skall erhålla ett normflöde på 1,8 liter per sekund (Boverket 1980, s.431). Enligt SBN 80 skall en WC som minst ha en rördiameter på 100 mm. Det sannolika flödet i systemet approximeras genom att summera normflöden från samtliga avloppsenheter och därmed få ett motsvarande sannolikt flöde enligt figur 1, detta kallas för den förenklade metoden. (ibid)

Liggande ledningar, luftade såväl som oluftade, ska dimensioneras med fall och detta kan utföras

enligt den förenklade metoden där ledningsfallet beror på det sannolika flödet och rördimensionen

enligt figur 1 (ibid, s.435). Exempelvis ger en rördimension på 100 mm att ledningsfallet bör ligga på

10 ‰ och en rördimension mellan 50–75 mm ger 17 ‰ (ibid).

5

Figur 1 Godtaget ledningsfall beroende på sannolikt spillvattenflöde och innerdiameter enligt SBN 80 (Boverket 1980, s.435).

SBN 80 (Boverket 1980, s.444) anger godkända utförande utav riktningsändringar på ledningar, se figur 2. Enligt Gelias (2012, s.29) VVS-guide rekommenderas det att använda två 45 graders böjar istället för en 90 graders böj, se figur 2.e), för att dämpa fallet och vid en 90 graders avgrening, se figur 2.c), rekommenderas istället ett 45 graders grenrör och en 45 graders böj för att ge rätt riktning åt vattnet.

Figur 2 Samlingsledningar och anslutningsledningar betecknade som stående (S) och liggande (L) sammankopplade med förgreningar enligt; 2.a) Samlingsledning (S) sammankopplad till ledning (L) där grenrör har 𝜶 ≤45^○. 2.b)

Anslutningsledning (S) sammankopplad till ledning (L) där grenrör har 𝜶 ≤90^○. 2.c) Ledning (L) sammankopplad till ledning (S) där grenrör har 𝜶 ≤90^○. 2.d) Två ledningar (L) sammankopplad där grenrör har 𝜶 ≤45^○. 2.e) Ledning (S) sammankopplad till ledning (L) med övergång 𝜶 ≤90^○. (Figur modifierad efter Boverket 1980, s.444).

6

Ett annat alternativ för dimensionering av VVS-installation är den svenska standarden SS-EN 12056-2 från år 2000 (Svenska Institutet för standarder (SIS)). Enligt Fredriksson (2006b, s.39) kan standarden mycket möjligt ersätta den förenklade metoden. Standarden tillför mer valfrihet vid dimensionering, dock överensstämmer inte alla ledningsdimensioner med de som används i Sverige.

I standarden listas 4 typer av system utefter fyllnadsgrad och funktion hos avloppsinstallation. I Sverige används system 1 vilket innebär att anslutningsledningar maximalt ska vara fyllda upp till 50

%. För flödesberäkning med den förenklade metoden enligt SBN 80 används ett diagram, se figur 1, medan standarden använder sig utav en ekvation, se ekvation 1. (ibid)

𝑄_𝑤𝑤= 𝑘_𝑓√𝐷𝑈 (1)

där

är spillvattenflödet [l/s] och

[-] är frekvensfaktorn.

Det summerade flödet beräknas enligt tabeller som återfinns hos standarden såväl som tabeller för frekvensfaktorn (Fredriksson 2006b, s.39). Alternativt beräknas ett totalt flöde istället för ett

spillvattenflöde ifall det förekommer kontinuerliga- eller pumpade flöden genom att summera dessa till ett totalt flöde enligt ekvation 2 (ibid).

𝑄_𝑡𝑜𝑡= 𝑄_𝑤𝑤+ 𝑄_𝑐+ 𝑄_𝑃 (2)

där

[l/s] är totalt flöde,

[l/s] är kontinuerligt flöde och

[l/s], pumpflödet.

Dimensionering av ledningar utförs i enlighet med att det totala flödet skall understiga rörledningens hydrauliska kapacitet, det vill säga att

(Fredriksson 2006b, s.40). Kapaciteten för diverse system och tillhörande nominell diameter DN erhålls hos standarden (SIS 2000, s.23).

2.1.1 Colebrooks White och Mannings ekvation

I delvis fyllda liggande ledningar bildas icke-stationär strömning, vilket är ett flöde som ändras med tiden (Baroni et al 2018, s.10). Flödet i liggande halvfyllda rör kan beskrivas med ett vattendjup

, en diameter

, bredd på vattenytan

och ett fyllnadsförhållande

enligt ekvation 3, se figur 3 (Water 2018, s.2). Vinkeln θ beskriver fyllnaden i röret i relation till vertikalplanet och beräknas enligt ekvation 4 (ibid s.4). Fyllnadsförhållandet enligt den svenska standardens system 1 skall understiga 0,5 för att säkerställa den hydrauliska kapaciteten. I stående ledningar bildas istället en vätskefilm på rörets insidor, ett sådant flöde har inte har samma utseende på strömningsbilden (Baroni et al 2018, s.10).

𝑦 =ℎ

𝐷< 1 (3)

𝜃 = 𝜋 − cos⁻¹(2𝑦 − 1) (4)

7 Figur 3 Geometrin på flödet hos halvfyllda cirkulära rör

(figur modifierad efter Water 2018, s.2).

Enligt den svenska standarden 12056-2 ska flödeskapaciteten beräknas hydrauliskt för liggande samlingsledningar och Fredriksson (2006b, s.40) hänvisar till att använda Colebrooks diagram eller Colebrooks energiekvation, enligt ekvation 5 (Fredriksson 2006b, s.40). Standarden innehåller även tabeller för den hydrauliska kapaciteten beroende på ledningsfall och DN (ibid). Vid beräkning av en ledningens hydrauliska kapacitet med hjälp av Colebrooks tas det hänsyn till de tryckförlusterna som uppstår från strömningen av vatten (ibid s.41).

𝑄_{𝑓𝑢𝑙𝑙}= −6,96𝑑²√𝐷 ∙ 𝑆 log (7,42 ∙ 10⁻⁷ 𝐷√𝐷 ∙ 𝑆 + 𝑘_𝑦

3,71𝐷) (5)

där

är flödet i ett helfyllt rör,

[%] är rörets lutning och

[m] är ytråhet (Fredriksson 2006b, s.41).

Colebrooks ekvation gäller dock för ett fullt turbulent flöde vilket inte stämmer för flödet i avloppsledningar och därför tillämpas en korrektionsfaktor c vid beräkning av flödet i

avloppsledningar, se ekvation 6 (Fredriksson 2006c, s.41). För system 1 ger exempelvis en halvfylld ledning på 50% en korrektionsfaktor på 0,42 (ibid).

𝑄 = 𝑐 ∙ 𝑄_{𝑓𝑢𝑙𝑙} (6)

Flödeskapaciteten för stående ledningar kan enligt Fredriksson (2006c, s.42) beräknas med Mannings ekvation. Enligt Water (2018, s.5) kan Mannings ekvation även tillämpas i sluttande liggande

ledningar, se ekvation 7. Vid tillämpning av Mannings ekvation antas flödet vara uniformt, vilket är ett flöde vars hastighet är konstant (ibid).

𝑄 =1

𝑛𝐴𝑅^{2 3⁄} 𝑆^{1 2⁄} (7)

där

[m

] är flödesarean,

[m] är hydrauliska radien och

[-] är Mannings skrovlighetskoefficient.

8

2.2 Hydraulisk energi och energiförluster

Inom hydraulik innehar vatten en egen energi som kallas för hydraulisk energi

och den ses ofta som en energinivå uttryckt i meter (Hager 2010, s.11). Den hydrauliska energin kan uttryckas med Bernoullis ekvation enligt ekvation 8 (ibid s.9). Detta gör att den kan visualiseras med hjälp av en energilinje (eng: energy line) där varje punkt på linjen visar energiinnehållet i flödet vid den punkten, se figur 4 (ibid, s.11).

𝐻 = 𝐸

𝜌𝑔𝑄= 𝑧 + 𝑝 𝜌𝑔+𝑣²

2𝑔 (8)

där

[kg/m

] är vattnets densitet,

[m/s

] är gravitationsaccelerationen,

är höjd över en referensnivå,

/(

) [m] är tryckpotentialen och

/

[

är hastighetspotentialen (Hager, 2010, s.9).

Figur 4 Illustration av energilinje, streckad total energinivå och energiförlusten ΔH mellan två tvärsektioner över en fast referensnivå (figur modifierad efter Hager 2010, s.9).

Bernoullis ekvation enligt ekvation 8 förutsätter dock att energin i röret är konstant vilket i praktiken inte är korrekt eftersom vattnets viskositet ger upphov till energiförluster i flödesriktningen (Kudela u.å, s.1). Denna förlust kallas för den hydrauliska förlusten

och kan definieras som ekvation 9 mellan två tvärsnitt. För att kunna använda Bernoullis ekvation mellan två tvärsnitt läggs den hydrauliska förlusten till i det högra ledet av ekvationen enligt ekvation 10. (ibid)

∆𝐻 = 𝐻₁− 𝐻₂ (9)

𝑣₁² 2𝑔+𝑝₁

𝜌𝑔+ 𝑧₁=𝑣₂² 2𝑔+𝑝₂

𝜌𝑔+ 𝑧₂+ ∆𝐻 (10)

Flödesförluster kan sorteras in i två grupper beroende på dess orsak (Hager 2010, s.17). Dessa två grupper kallas för friktionsförluster och engångsförluster. Friktionsförlusterna orsakas av viskositet och väggfriktion. Engångsförlusterna orsakas av förändring hos utformningen av rörledningen såsom lutning, böjar och förgreningar. (ibid) Friktionsförlusterna

beräknas enligt ekvation 11 där

𝐷_ℎ

är den hydrauliska diametern som beräknas enligt ekvation 12 (Johnson 1999, ss.151–152).

Moody-diagrammet eller Colebrooks ekvation för

2300 kan användas för att beräkna

friktionsfaktorn

enligt ekvation 13 (Hager 2010, s.19).

9 ℎ_𝑓= 𝑓 (𝐿

𝐷_ℎ) (𝑣²

2𝑔 ) (11)

𝐷_ℎ= 4 (𝐴_𝑣å𝑡

𝑂_𝑣å𝑡) (12)

1

√𝑓= −2,0𝑙𝑜𝑔 (𝜀 𝐷⁄ _ℎ 3,7 + 2,51

𝑅𝑒√𝑓) (13)

där

[m

] är den vätskefyllda arean,

[m] är den omkrets som är vätskeberörd,

[m] är rörets grovhet,

är Reynolds tal och

[m] är rörets längd.

2.3 Självrensande kapacitet

Avloppsledningar i bostadshus dimensioneras generellt i enlighet med att det ska vara självfall (Fredriksson 2006a, s.37). Dimensioneringen ska innebära att systemet ska vara självrensande och därmed förhindra att det sker eventuella stopp. För att uppnå detta måste flödeshastigheten vara rätt och därför ska hänsyn tas till flöde och ytråhet av röret vid dimensionering av ledningar. En alltför hög hastighet gör att vattnet lämnar kvar partiklar och en alltför låg hastighet ökar risken för sedimentation av partiklar. (ibid) Ledningarnas fall kan som tidigare nämnt dimensioneras utifrån den förenklade metoden i SBN 80, se figur 1.

För att en ledning ska vara självrensande måste dessutom skjuvspänningen

, se ekvation 14, vara tillräckligt stor i vattnet (Fredriksson 2006a, s.41). Generellt är det tillräckligt med en

medelskjuvspänning i systemet på cirka 1,5

Understiger skjuvspänningen

anses inte ledningen vara självrensande. Hos spillvattenledningar inomhus bör skjuvspänningen vara högre än

där ett värde på

ofta är rekommenderat enligt Fredriksson.

𝜏_𝑚𝑒𝑑= 𝜌𝑔𝑅𝑆 (14)

Enligt Baroni et al (2018, s.10) är den självrensande effekten en faktor som är nödvändig för en god prestanda i avloppssystem. Baroni et al utförde en undersökning på hur en minskad rördiameter i kombination med minskat volymflöde hos WC påverkar prestandan i en VVS-installation på två våningar genom att minska rördiametern hos den liggande och stående stamledning från 100 mm till 75 mm. VVS-installationen konstruerades med en toalett direkt ansluten till den liggande

stamledningen samt med en gemensam anslutningsledning från golvbrunn och handfat ansluten via en y-gren. Resultatet blev att prestandan på den övre våningen förbättrades men att det på

undervåningen uppstod komplikationer med hydrauliska hopp vid övergången från stående till

liggande ledning, vilket gjorde att det var svårt att komma fram till en slutsats för undervåningen

specifikt (ibid s.15). Slutsatsen blev dock att en minskning av rördiameter i samband med en

minskad spolvolym hos WC är en god förutsättning för att bibehålla prestandan i mindre

avloppssystem som i undersökningen. (ibid)

10

2.3.1 Vattenansamling

Bristfällig montering av rör i bjälklaget ökar risken för vattenansamling i avloppsledningen och detta påverkar den hydrauliska kapaciteten (Halvarsson et al 2012, s.23). Vattenansamling kan klassificeras enligt fyra olika typer av grader och klassificeras beroende på vattennivån av vattensamlingen relativt rördiametern. Om förhållandet är mindre än 5% klassas det som grad 1, mellan 5–15% grad 2, mellan 15–30% grad 3 och över 30% grad 4. Vattenansamlingar vid en anslutande grenledning klassas som grad 3 och vattenansamlingar som har orsakat upprepade driftstörningar klassas som grad 4. (ibid)

Risk för uppkomst av driftstörningar som sedimentering, avsättningar och stopp ökar på grund av minskad vattenhastighet som uppkommer vid förekomst av vattenansamlingar (Halvarsson et al 2012, s.23). Vid tillräckligt höga flöden i horisontella rör kan den självrensande effekten vara tillräcklig för att motverka att sådana driftstörningar skapas vid uppkomst av vattenansamlingar.

Vattenansamling i grenledning innebär dock i sig själv en risk för driftstörningar. När

avloppsvattenflöden minskar innebär det en ökad risk för vattenansamlingar och därmed också driftstörningar. (ibid)

Under konstruktion av bjälklaget kan en nedböjning av röret ske när betong hälls på avloppsröret enligt Alm (2020). Ett sätt att förhindra detta och få en jämnare tryckfördelning på rören är att distribuera fästanordningar tätare intill varandra. Alm nämnde att det skulle kunna vara en eventuell faktor till att vattenansamling kan uppstå i rören, se figur 5. Han menar även att vulsten som uppkommer när två rörkomponenter svetsas ihop också kan bidra till vattenansamling i rören.

Figur 5 Illustration av nedböjning i rör på grund av tryck från betong.

2.3.2 Transport av fasta partiklar

Den fasta partikelns transport och rörelse styrs främst av hydrostatiska krafter enligt Gormley och Jean (2012, s.271). De menar att en fast partikel kan röra sig i intervaller; partikeln är först i vila tills att tillräckligt vatten har byggts upp bakom partikeln, detta initierar rörelse varpå partikeln fortsätter sin transport genom tröghet för att sedan hamna i vila och därefter kommer processen att upprepas.

Till slut kan inte den hydrostatiska kraften initiera rörelse längre och partikeln stannar därefter i vila.

Det är när den hydrostatiska kraften inte längre är tillräcklig för att initiera rörelse hos partikeln som

risk för samling av fekalier ökar. (ibid)

11

Akiyama et al (2014, s.194) undersökte hur olika krafter påverkade en partikel i halvfyllda cirkulära rör och hur olika spolvolymer hos en toalett påverkar en partikels transport. Enligt Akiyama et al (2014, s.201) kan krafterna på en partikel sammanfattas som friktionskraften

bärkraften,

tyngdkraften och normalkraften, se figur 6. I undersökningen av Akiyama et al uppstod det en gradvis ökning av bärkraften vid en ökning av flödeshastigheten och vice versa, däremot ökade friktionskraften med ett minskat vattendjup. När flödeshastigheten minskar är inte bärkraften tillräckligt stor för att orka bära partikeln vilket resulterade i att partikeln slutade röra sig. Partikelns transportsträcka minskade dessutom desto större friktionskraften var. (ibid)

Figur 6Verkande krafter på en partikel där 𝑯 är maxdjupet, vattentäkt tvärsnittsarea är 𝑨_{𝒔𝒊𝒏𝒌} och 𝑨_{𝒇𝒓𝒐𝒏𝒕} är partikelns tvärsnittsarea, friktionskraften är 𝑭_𝒓, bärkraften 𝑭_𝒘, tyngkraften 𝒎𝒈 och normalkraften 𝑭 (figur modifierad efter Akiyama et al 2014, s.198).

2.4 Hydrauliskt hopp

Den hydrauliska prestandan i avloppssystem försämras enligt Water (2018, s.1) av de olika fenomenen som ett hydrauliskt hopp ger upphov till. Några av fenomenen är turbulens,

uppfångning av luft i vattnet och spridning av flödesenergi (ibid). Ett hydrauliskt hopp kännetecknas av att flödet ändras abrupt och diskontinuerligt från superkritiskt till subkritiskt och detta kan se ut som en eller flera vågor, se figur 7 (ibid s.5).

Figur 7Definition av hydrauliskt hopp, superkritiskt flöde med hastighet 𝑽𝟏 och ursprungligt djup 𝒉𝟏, hoppets längd 𝑳𝒋 samt sekventiellt flödesdjup 𝒉𝟐 (figur modifierad efter Water 2018, s.2).

12

Ett hydrauliskt hopp kan uppstå när ett superkritiskt flöde möter störningar som exempelvis sedimentering, förändrad lutning eller riktning som böjar och förgreningar (Water, 2018, s.3). Om det hydrauliska hoppets sekventiella djup överstiger rördiametern uppstår flödeskvävning vilket skapar ett tryckflöde i röret (ibid). Enligt Water (2018, s.4) finns det knappt några studier som har undersökt det hydrauliska hoppets flödesegenskaper i sluttande cirkulära rör, majoriteten av

studierna behandlar rektangulära rör. Dock menar Water att det finns två distinkta skillnader mellan rektangulära och cirkulära rör när det kommer till det hydrauliska hoppet. Det första är att det cirkulära rörets fyllnadsförhållande har en större betydelse än det rektangulära rörets och det andra är att till skillnad från rektangulära rör kan flödet hos cirkulära rör kvävas vid hydrauliska hopp.

(ibid)

Det hydrauliska hoppet kan delas in i två grupper beroende på dess egenskaper, dessa är okulart- och direkt hydrauliskt hopp (Water, 2018, s.4). En nyckelparameter för att bestämma vilken grupp ett hydrauliskt hopp tillhör är Froudes tal eftersom hoppet får distinkta egenskaper beroende på dess värde (ibid). Flödet kan även delas in i 3 olika grupper beroende på dess värde, vid

<1 kallas flödet superkritiskt, vid

kritiskt och vid

subkritiskt (ibid). Froudes tal vid

definieras enligt ekvation 15 (Hager 2010, s.152).

𝐹_𝑟 = 𝑄

√𝑔𝐷ℎ⁴ (15)

Vid låga Froudes tal mellan 1 och ett värde

uppstår okulara hydrauliska hopp, se figur 8 (Water 2018, s.6). Direkta hydrauliska hopp uppstår när Froudes tal överstiger

, se figur 9 (ibid s.7).

Beroende på värdet av Froudes tal kommer hoppet att få olika typer av vågformer; vid 1<

<1,2 uppstår tvådimensionella vågformer utan tvärvågor, vid 1,2<

<

uppstår icke-brytande tredimensionella vågformer och vid

<

<

uppstår brytande vågor. Enligt Water (2018, s.8) finns det ännu inte någon enighet gällande vad dessa två begränsande värden på

och

är exakt.

Det kan även bildas ett ofullständigt hydrauliskt hopp då det sekventiella djupet är högre än rördiametern vilket därmed orsakar flödeskvävning, se figur 10 (ibid).

Figur 8Lutande rör med okulärt hydrauliskt hopp med ursprungligt flödesdjup 𝒉_𝟏 och flöde 𝑸, våglängd 𝑳_𝟏, 𝑳_𝟐 och 𝑳_𝟑, vågtopp 𝒉_𝟏𝒄, 𝒉_𝟐𝒄och 𝒉_𝟑𝒄, rörlutning 𝜶 och vågdal 𝒉_𝟏𝒕, 𝒉_𝟐𝒕samt 𝒉_𝟑𝒕

(figur modifierad efter Water 2018, s.6).

13 Figur 9 Lutande rör med direkt hydrauliskt hopp med ursprungligt flödesdjup 𝒉_𝒋𝟏,

hydraulisk hopplängd 𝑳_𝒋, sekventiellt flödesdjup 𝒉_𝒋𝟐, rörlutning 𝜶 och flöde 𝑸 (figur modifierad efter Water 2018, s.7).

Figur 10Lutande rör med ofullständigt hydrauliskt hopp med ursprungligt flödesdjup 𝒉_𝒋𝟏, hydraulisk hopplängd 𝑳_𝒋, flöde 𝑸, rör diameter 𝑫, sekventiellt flödesdjup 𝒉_𝒋𝟐, rörlutning 𝜶 samt hydrostatiskt tryckhuvud 𝑯 (figur modifierad efter Water 2018, s.8).

2.6 Tryck

De olika flödena hos liggande- och stående ledningarna skapar tryckskillnader i avloppssystemet och i en undersökning av Weiss och Öngören (2018, s.17) studerade de vad detta har för effekt på vattenlåsen. Om flödet i spillvattensystem överstiger det maximala tillåtna flödet och inte begränsas kan detta bidra till att vattenlås töms (ibid). Undersökningen genomfördes i Geberits labb där ett 8 våningar, 24 meter hög anläggning av ett avloppsystem testades med olika typer av anslutningar till den stående stamledningen med DN 100; standard grenrör, svept grenrör (eng: swept joints) och Sovent anslutning, se figur 15 (ibid s.19). Enligt studien är den största bidragande faktor till tömning av vattenlås att det bildas en överdriven turbulens vid stamröret intill grenröret (ibid s.20). En till faktor är att trycket växer i stamröret på grund av de hastiga flödesändringarna som orsakas av störningar från luftflödet i grenröret samt från anslutningsledningarna (ibid).

Den hydrauliska kapaciteten i ett spillvattensystem skulle förbättras anmärkningsvärt enligt Weiss

och Öngören (2018, s.21) om alla 90 graders grenrör skulle ersättas med svepta grenrör. Enligt

studien ger konceptet av en konventionell Sovent anslutning inte en lika stor turbulens som nämnts

tidigare. Detta är eftersom den stående stamledningen buktar ut vid varje förgrening mellan stående-

och liggande ledningar vilket ger en bättre balans vid övergången från horisontellt till vertikalt, se

figur 11. I studien undersökte de även hur den nya hög-flödes Sovent anslutningen presterar och de

kom fram till att detta koncept ökar stamledningens maximala möjliga kapacitet med 40% (ibid,

s.23).

14 Figur 11 Illustration av olika anslutningar till stående stamledning

(figur modifierad efter Weiss & Öngören 2018, s.17).

2.7 Strömningsbild i Y-gren

Strömningsbilden i en y-gren för ett rektangulärt rör ser olika ut beroende på vilka flöden det är som passerar förgreningen (Hager 2010, s.454). De olika flödena i förgreningen är

från den liggande stamledningen och

från den liggande anslutningsledningen, se figur 12a resp 12b (ibid). I det fallet när endast

passerar förgreningen strömmar majoriteten av flödet längs med stamledningen, men en del av flödet kan även strömma in i anslutningsledningen till en punkt I beroende på vinkeln

av förgreningen och detta skapar en stående våg A, se figur 12a (ibid, s.455). I fallet med endast ett flöde

genom förgreningen skapas en expansion av flödet vid punkt P tills att flödet når

motstående vägg på stamledningen vid en punkt K och en återcirkulationszon skapas vid punkt U, se figur 12b. En stående våg B bildas strax efter punkt K och från denna kan en del av flödet strömma uppströms i stamledningen beroende på vinkeln

för att sedan återcirkulera. (ibid)

Figur 12 Strömningsbild i en Y-gren hos rektangulärt rör, där figur 12 (a) visar strömningsbild vid 𝑸_𝒛= 0 och figur 12 (b) vid 𝑸_𝟎 = 0, återcirkulationszon är vid streckad orange linje

(figur modifierad efter Hager 2010, s.454).

Vågorna A och B kan uppstå både som vägg- och kompakta vågor beroende på den hydrostatiska

kraften i vattnet, utseendemässigt är skillnaden att väggvågor reser sig upp mot rörets insida

tillskillnad från kompakta vågor, se figur 13a resp 13b (Hager 2010, s.455). I det fallet när både

och

strömmar genom förgreningen bildas istället en våg C, B och D enligt figur 14. Våg C bildas

utav sammanslagningen av

och

våg B bildas sedan av att våg C träffar väggen vid punkt K

och våg D bildas utav att våg B träffar motstående väg vid punkt U (ibid, s.456). Detta skapar ett

vågformigt flöde vars storlek beror på vågamplitudernas förhållande

(ibid).

15 Figur 13Illustration av kompakt våg 13 (a) och vägg-våg 13 (b) i rektangulärt rör

(figur modifierad efter Hager 2010, s.455).

Figur 14 Strömningsbild i en Y-gren hos rektangulärt rör, återcirkulationszon vid streckad orange linje (figur modifierad efter Hager 2010, s.456).

16

3. Metodbeskrivning

Projektets samtliga delfrågor och delmål avses att besvaras med en experimentell metod i samband med kunskap från kapitel 2.Bakgrund . Experimenten utförs på två olika egenkonstruerade

avloppsinstallationer i labb på Kungliga Tekniska Högskolan som dimensioneras enligt SBN80 samt SS-EN 12056-2. Installation 1 efterliknar ett badrum på ett plan med typiska dimensioner enligt Installatörsföretagens Teknikhandbok VVS 2020 (s.88), se figur 15. Installation 2 konstruerades med ombytt placering på WC och tvättställ. För att se bilder på experimenten se Bilaga 3.

Modell på WC är Ifö Spira Rimfree 627008811010 och rör samt förgreningar är transparanta PP-rör.

Olika papperslängder och två testobjekt användes vid experimenten för att efterlikna olika verkliga fall av en spolning. Dock uppstod problematik med testobjekten och det valdes därmed att utföra resterande experiment med endast papper.

Figur 15 Skiss på ett badrum enligt normalnivå med grundläggande tillgänglighet (Kovalev, 2020).

3.3 Avgränsningar

De rådande omständigheterna på grund av Covid-19 har gjort att projektet har avgränsats mer än tänkt i avseende till storleken på installationen samt experimenten, se bilaga 4 för den först tänkta installationen. Installationen avgränsas till att endast efterlikna ett badrum på ett plan med endast en WC inkopplad och inte en duschbrunn eller tvättställ. Det kommer därför inte finnas en

sammankopplad över- eller undervåning till den stående stamledningen.

Nedan följer valda avgränsningar:

• Installationen består endast av en våning, inverkan från över- och undervåning undersök ej

• Endast två olika spolvolymer hos WC, 2- och 4 liter

• Ingen hänsyn kommer tas till ventilationens inverkan

• Endast självfallsystem kommer att undersökas

• Inverkan från duschbrunn samt tvättställ beaktas ej

17

3.4 Experiment

3.4.1 Installation 1 – Positionering av förminskning

Installationen som användes i experimentet illustreras i figur 16 och experimentet utfördes med varierande positioner på förminskningen

enligt figur 17. Experimenten utfördes med olika längder av toalettpapper och med eller utan två olika testobjekt. Längden papper varierade mellan: 0 m; 1 m;

2,5 m och 3 m. Testobjekt 1 och testobjekt 2 som användes bestod utav papper omsluten av gummi med volymerna 39,3 cm

respektive 96,2 cm

.

Figur 16 Illustration på VVS-installation med samtliga förgreningar, rör och vinklar. Ej skanlenlig figur. Figur 16 A) illustreras sedd från ovan och figur 16 B) illustreras sedd från sidan. Teckenförklaring enligt tabell 1.

Tabell 1 Teckenförklaring för figur 16.

Tecken Förklaring a. grenrör med 𝛼 ≤ 45°

b. grenrör med 𝛼 ≤ 45°

c. böj 𝛼 ≤ 90°

d. förminskning ∅110 → ∅90 e. swept entry 𝛼 ≤ 90°

𝛂_𝟏 10‰

𝛂𝟐 17‰

𝛂_𝟑 10‰

𝐋𝟏 204 cm

𝐋_𝟐 104 cm

𝐋𝟑 35 cm

18 Figur 17 Illustration av de olika positionerna för förminskning d) i figur 20.

Del 1: Testobjekt

Förminskningen

positionerades först enligt figur 17a med hjälp av en stödkloss för att erhålla en lutning på 17

hos anslutningsledning

. Testobjekt 1 spolades ned med en spolvolym på 4 liter tillsammans med 1 m papper och bakspolningen antecknades. Därefter upprepades samma procedur med testobjekt 1 tillsammans med 2 m respektive 2,5 m papper. Samma experiment utfördes med testobjekt 2 och bakspolningen antecknades.

Förminskningen

positionerades därefter enligt figur 17b samt c med hjälp av stödklossar för att erhålla en lutning på 17

hos anslutningsledning

, samma experiment utfördes enligt ovan med de två testobjekten och bakspolningen antecknades.

Del 2: Utan testobjekt

Förminskningen

positionerades i underkant enligt figur 17a med hjälp av en stödkloss för att erhålla en lutning på 17

hos anslutningsledning

. Det spolades 0 m papper med en spolvolym på 4 liter och bakspolningen antecknades, detta upprepades 10 gånger. Detta experiment upprepades med 1 m-, 2 m- och 2,5 m papper och bakspolningen antecknades. Experimentet utfördes därefter med en spolvolym på 2 liter och upprepades 10 gånger för varje tidigare angiven papperslängd vartefter bakspolningen antecknades.

Förminskningen

positionerades sedan i mitten enligt figur 17b med hjälp av en stödkloss för att erhålla en lutning på 17

hos anslutningsledning

. Det spolades 0 m papper med en spolvolym på 4 liter och bakspolningen antecknades, detta upprepades 10 gånger. Därefter upprepades

experimentet med 1 m-, 2 m-, 2,5 m- och 3 m papper och bakspolningen antecknades. Experimentet utfördes därefter med en spolvolym på 2 liter och upprepades 10 gånger för varje tidigare angiven papperslängd vartefter bakspolningen antecknades.

Förminskningen

positionerades sedan i överkant enligt figur 17c med hjälp av en stödkloss för att

erhålla en lutning på 17

hos anslutningsledning

. Det spolades 0 m papper med en spolvolym på

4 liter och bakspolningen antecknades, detta upprepades 10 gånger. Experimentet upprepades

därefter med 1 m-, 2 m-, 2,5 m- och 3 m papper och bakspolningen antecknades.

19

3.4.2 Installation 2 – Positionering av WC

I experimentet tillämpades en installation enligt figur 18. Experimentet utfördes med spolning av endast papper i olika längd enligt beskrivning nedan.

Det spolades 0 m papper med en spolvolym på 2 liter och bakspolningen antecknades, detta upprepades sedan 10 gånger. Experimentet utfördes därefter 10 gånger för varje papperslängd på 1 m, 2 m och 2,5 m vartefter bakspolningen antecknades.

Därefter spolades 0 m papper med en spolvolym på 4 liter och bakspolningen antecknades, detta upprepades sedan 10 gånger. Experimentet utfördes därefter 10 gånger för varje papperslängd på 1 m, 2 m, 2,5 m, 3 m och 4 m vartefter bakspolningen antecknades.

Figur 18Illustration på VVS-installation med samtliga förgreningar, rör och vinklar. Ej skanlenlig. Figur 18 A) illustreras sedd från ovan och figur 18 B) illustreras sedd från sidan. Förteckningar enligt tabell 2.

Tabell 2 Teckenförklaring för figur 18.

Förteckning Förklaring a. grenrör med 𝛼 ≤ 45°

b. grenrör med 𝛼 ≤ 45°

c. böj 𝛼 ≤ 90°

e. swept entry 𝛼 ≤ 90°

𝛂𝟏 10‰

𝛂_𝟐 17‰

𝐋𝟏 206 cm

𝐋_𝟐 104 cm

20

3. Resultat

Resultat erhållna från samtliga experiment presenteras i följande avsnitt. Det exakta erhållna empiriska resultatet finns även presenterade i tabeller i Bilaga 1 och 2. Resultat erhållet från

tillämpning av olika spolvolymer presenteras separat från varandra samt i gemensamt diagram för att visa skillnaden, se figur 19–25. Sannolikhet och medelvärde för bakspolning presenteras i tabell 4–8.

Det erhölls ingen bakspolning för experiment utfört på installation 1 med förminskningen i överkant i samtliga fall, samt ingen bakspolning med förminskningen i mitten med en spolvolym på 2 liter, därav presenteras inte detta resultat i ett diagram.

3.1 Resultat installation 1

Resultat med testobjekt

Tabell 3 Mätvärden erhållna på bakspolning från experiment med installation 1 del 1.

Förminskning positionerad i underkant med spolvolym 4 liter

Figur 19 Mätvärden presenterade i diagram från experiment med installation 1 del 2 med spolvolym 4 liter och förminskningen i underkant enligt figur 17a. Avstånd motsvarar bakspolningen i rör L2. Streckat samband är draget

mellan medelvärdena enligt tabell 4.

21 Tabell 4 Redovisad sannolikhet för bakspolning, medelvärde på avstånd samt standardavvikelsen för medelvärdet från

erhållet resultat enligt figur 19 och exakta mätvärden i bilaga 1.

Papper [m] 0 1 2 2,5

Sannolikhet bakspolning 100% 100% 100% 100%

Medelvärde avstånd [cm] 52,55 52,05 60,06 61,45

Standardavvikelse medelvärde [cm] 1,62 1,75 3,06 2,85

Förminskning positionerad i mitten med spolvolym 4 liter

Figure 20 Mätvärden presenterade i diagram från experiment med installation 1 del 2 med spolvolym 4 liter och förminskningen i mitten enligt figur 17b. Avstånd motsvarar bakspolningen i rör L2 i cm. Streckat samband är draget

mellan medelvärdena enligt tabell 5.

Tabell 5 Redovisad sannolikhet för bakspolning, medelvärde på avstånd samt standardavvikelsen för medelvärdet från erhållet resultat enligt figur 20 och exakta mätvärden i bilaga 1.

Papper [m] 0 1 2 2,5 3

Sannolikhet bakspolning 70% 50% 90% 80% 100%

Medelvärde avstånd [cm] 3,60 2,90 13,55 10,10 42,80

Standardavvikelse medelvärde 1,28 1,27 3,04 2,61 6,94

22

Förminskning positionerad i underkant med spolvolym 2 liter

Figure 21 Mätvärden presenterade i diagram från experiment med installation 1 del 2 med spolvolym 2 liter och förminskningen i underkant enligt figur 17a. Avstånd motsvarar bakspolningen i rör L2 i cm. Streckat samband är draget

mellan medelvärdena enligt tabell 6.

Tabell 6 Redovisad sannolikhet för bakspolning, medelvärde på avstånd samt standardavvikelsen för medelvärdet från erhållet resultat enligt figur 21 och exakta mätvärden i bilaga 1.

Papper [m] 0 1 2 2,5

Sannolikhet bakspolning 100% 100% 100% 100%

Medelvärde avstånd [cm] 20,60 28,95 31,00 38,45

Standardavvikelse medelvärde 2,95 5,15 4,21 8,04

Sammanställt resultat - installation 1

Figur 22 Sammanställt resultat från diagram 19 till 21. Avstånd motsvarar bakspolningen i rör L2 i cm. Streckat samband är draget mellan medelvärdena enligt tabell 3-6.

23

3.1 Resultat installation 2

Spolvolym 4 liter

Figur 23 Mätvärden presenterade i diagram från experiment med installation 2 med spolvolym 4 liter. Avstånd motsvarar bakspolningen i rör L2 i cm. Streckat samband är draget mellan medelvärdena enligt tabell 7.

Tabell 7 Redovisad sannolikhet för bakspolning, medelvärde på avstånd samt standardavvikelsen för medelvärdet från erhållet resultat enligt figur 23 och exakta mätvärden i bilaga 2.

Papper [m] 0 1 2 2,5 3 4

Sannolikhet bakspolning 70% 100% 100% 100% 100% 100%

Medelvärde avstånd [cm] 1,20 4,75 5,40 8,65 8,90 15,80

Standardavvikelse medelvärde [cm] 0,46 1,64 1,00 0,59 0,91 2,69

Spolvolym 2 liter

Figur 24Mätvärden presenterade i diagram från experiment med installation 2 med spolvolym 2 liter. Avstånd motsvarar bakspolningen i rör L2 i cm. Streckat samband är draget mellan medelvärdena enligt tabell 8.

24 Tabell 8 Redovisad sannolikhet för bakspolning, medelvärde på avstånd samt standardavvikelsen för medelvärdet från

erhållet resultat enligt figur 24 och exakta mätvärden i bilaga 2.

Papper [m] 0 1 2 2,5

Sannolikhet bakspolning 80% 90% 100% 90%

Medelvärde avstånd [cm] 1,10 1,20 2,50 2,55

Standardavvikelse medelvärde [cm] 0,21 0,19 0,58 0,49

Sammanställt resultat - installation 2

Figur 25 Mätvärden presenterade i diagram från experiment 2 med spolvolym 2- och 4 liter. Avstånd motsvarar bakspolningen i rör L2 i cm. Streckat samband är draget mellan medelvärdena enligt tabell 7–8.

25

5. Diskussion

En typisk dimension för anslutningsledning från duschbrunn är cirka 50 cm, dock användes ett rör med längden 104 cm vid samtliga experiment för att kunna bedöma hur pass lång en bakspolning kan bli. I flera utav fallen observerades en bakspolning längre än en typisk längd för

anslutningsledningen. Detta visar på att bakspolning är ett verkligt problem och att det finns en stor risk för att fekalier hamnar i anslutningsledning från duschbrunn, även fast dimensioneringen följer de angivna rekommendationerna i SBN 80 och Svensk Praxis.

5.1 Analys av empiriska resultatet

De observerade utfallen för experiment utfört på installation 1 med testobjekten, se resultat i tabell 3, bedömdes opålitliga eftersom utfallen uppträdde oberäkneligt. Detta kan bero på testobjektens transport genom WC eftersom ytan på testobjekten ökade risken för stopp. Detta gav därför inte ett realistiskt utfall som går att jämföra med verkligheten. Dock visar det vad som kan hända om olämpligt material spolas ned i toaletten – vilket är en ökad risk för bakspolning och stopp.

Experimenten utförda på installation 1 med en spolvolym på 4 liter och förminskningen i underkant gav högst bakspolning utav samtliga experiment, se figur 19. Medelvärdet ökade i takt med ökad papperslängd och sannolikheten för bakspolning blev 100% för varje papperslängd. Detta är ett förväntat resultat eftersom en större spolvolym generar större vågformationer vilket möjliggör en större spridning av vatten. Dessutom möjliggör en anslutning i underkant en enklare transport för vattnet. En spolvolym på 2 liter oavsett papperslängd gav också stora bakspolningar, se figur 21, dock inte lika stora som med en spolvolym på 4 liter.

Bakspolningen för en spolvolym på 4 liter med förminskningen i mitten på installation 1 blev betydligt mindre, se figur 20. Däremot skedde en betydlig ökning av bakspolningen med en papperslängd på 3 m vilket innebär att även en position i mitten är otillräcklig för att säkerställa att ingen bakspolning sker. En spolvolym på 2 liter gav däremot ingen bakspolning med

förminskningen i mitten.

Med förminskningen positionerad i överkant skedde ingen bakspolning oavsett spolvolym eller papperslängd. Sammanställt visar experimenten att en positionering i underkant och mitten är otillräckligt för att förhindra bakspolning, se figur 22 för jämförelse av resultat.

Resultat för installation 2 visar att bakspolning i anslutningsledning från duschbrunn minskar

markant. Med en spolvolym på 4 liter ökade medelvärdet för bakspolning en aning för varje ökad

papperslängd, däremot hölls medelvärdet under 10 cm, se tabell 7. Därmed testades en papperslängd

på 4 meter, vilket är en överdriven papperslängd, som gav ett medelvärde på cirka 15 cm och även

detta är ett lågt värde jämfört med värden för installation 1. Med en spolvolym på 2 liter erhölls en

bakspolning som är obetydlig på någon ynka centimeter, se jämförelse av resultat för installation 2 i

figur 25.

26

5.2 Övriga observationer

Resultatet från installation 1 visar att det finns en tydlig korrelation mellan bakspolningens längd och spolvolymen kombinerat med papperslängd. Desto större mängd som sammanlagt spolades ner desto större vägg-våg uppstod vid y-grenen vilket skapade ytterligare vågformationer och ett spridningsfenomen av vattnet i båda riktningarna. Under samtliga experiment på installation 1 observerades en engångsförlust hos flödet i samband med y-grenen, se kap 2.2 Hydraulisk energi och energiförluster, eftersom vattnets flödeshastighet tydligt minskade efter förgreningen. Det var också tydligt att engångsförluster uppstod vid förminskningen upp till duschbrunnens anslutnings ledning, förlustens storlek varierade och detta kan bero på förminskningens läge samt på hur stora

engångsförlusterna vid y-grenen vart. Desto högre ansat förminskning desto högre energiförluster observerades eftersom bakspolningen antingen minskade eller inte skedde, se figur 26. Dessa engångsförluster gjorde att både flödeshastigheter och vågformationer minskade vilket ökar risken för försämring av den självrensade förmågan i rör.

Figure 26 Illustration på observerad flödesriktning under experiment för position av förminskningen enligt figur 17a & 17b.

Resultatet från installation 2 visar inte en lika stark korrelation mellan bakspolningens längd och spolvolymen kombinerat med papperslängd. I den liggande stamledningen skapades vågformationer av att flödet sammanslog med böjen under WC och flödeshastigheten i den liggande stamledningen observerades att vara större för installation 2 än för installation 1. Detta bör bero på att de

engångsförlusterna som skapades vid y-grenen för installation 1 inte uppstod för installation 2.

Gemensamt för både installation 1 och 2 är de engångsförlusterna som skapas i böjen, se kap 2.2 Hyraulisk energi och energiförluster , under WC. Ett större bibehållande av energi och vågformationer hos installation 2 bör vara en positiv faktor för den självrenande förmågan i rör. Vid tillräckligt hög spolvolym och papperslängd kunde vågformationerna inneha en tillräcklig resning mot väggen vilket gjorde att en del av vattnet kunde ledas in i anslutningsledningar. Detta bedömdes dock inte som ett problem förrän en överdriven papperslängd användes.

Det observerades endast vatten i bakspolningen, dock uppstod ett utfall där det nästan blev stopp i

toaletten och en bit papper transporterades med bakspolningen. Stoppet skedde på grund av

27

problematik med testobjekten eftersom dessa lätt fastnade inuti toaletten under en spolning. Detta orsakade en kraftigare typ av spolning vilket verkade öka den hydrauliska energin och detta

resulterande i en större bakspolning som innehöll en del av pappret. Pappret stannade kvar cirka 20 cm in i anslutningsledningen även fast att ytterligare vatten från experiment därefter tillfördes med bakspolning. Det var inte förrän vatten tillfördes från duschbrunnens position som pappret transporterades vidare med vattnet. Detta visar på att vattnet i en bakspolning kanske inte har en tillräcklig energi för att ta med sig fekalier som fastnat i anslutningsledning från duschbrunn till den stående stamledningen vid återcirkulation.

Det observerades en vattenansamling i den liggande stamledningen mellan experimenten. Dessa observerades främst vid sammanfogningar vilket kan ha vart på grund av att rören inte

sammanfogades med tillräcklig precision. Vid dimensionering av rördelar användes en handsåg, måttband och penna för att mäta ut exakt längd. Detta medför dock en mänsklig faktor och rören kan därför ha sågats en aning snett, det blir därför svårt att sammanföra rören exakt i kant med varandra. Alm menade, i kap 2.3.1 Vattenansamling, att vulst-kanter i rör skulle kunna orsaka en vattenansamling och denna observation visar på just detta. De observerade vattenansamlingarna uppgick till mindre än 5% av rördiametern och därmed klassades de som grad 1.

Vattenansamlingarna observerades att inte orsaka någon slags driftstörning eller någon hastighetsförändring på flödet under experimenten.

Testobjektens och papprets transport observerades att till mesta delen följa vattnets transport. Ett undantag var under experimenten på installation 1 med 2,5 m papper och en spolvolym på 2 liter, i flera utav fallen observerades det att vattnets energi var otillräcklig för en fullständig transport till den stående stamledningen. I ett sådant fall stannade pappersmassan i en klump cirka 10–20 cm innan den stående stamledningen, med undantag för ett fall då pappersmassan fastnade i y-grenen.

Därmed observerades en transport som skedde i intervaller såsom Akiyama et al (2014) hade

observerat, se avsnitt 2.3.2 Transport av fasta partiklar . Pappret stannade i vila tills att en ny spolning skedde vilket var tillräckligt för att pappret skulle transporteras till den stående stamledningen.

Akiyama et al kom även fram till att friktionskraften ökar med ett minskat vattendjup medan bärkraften ökar vid högre flödeshastigheter, vilket verkar vara skillnaden mellan en spolvolym på 2- och 4 liter som gör att vattnets energi är otillräcklig med den mindre spolvolymen för en direkt transport till den stående stamledningen. En spolvolym på 2 liter är avsedd för en mindre mängd massa och därför är detta inget överraskande resultat.

Ett hydrauliskt hopp observerades i fallet när en papperslängd stannade under sin transport. Det hydrauliska hoppet framträdde innan pappersmassan och som ett direkt hydrauliskt hopp enligt figur 9. Detta resulterade i att bakspolningen ökade i fallet då pappret fastnade i slutet av stamledningen. I fallet då pappret fastnade i y-grenen ökade bakspolningen märkvärt och vattnet stannade även kvar i anslutningsledningen från duschbrunn tills att en ny spolvolym förde bort pappret vid förgreningen.

Detta visar på att en spolvolym på 2 liter innehar en otillräcklig hydrostatisk kraft för en papperslängd på 2,5 m och över för att kunna säkerställa en direkt transport till den stående

stamledningen. Detta visar även på att risken för bakspolning ökar när den självrensande kapaciteten

28

i avloppsrör inte är tillräcklig. Dock var detta inte ett problem när förminskningen var positionerad i mitten eller överkant.

5.3 Framtida studier

Installationerna i denna studie bestod endast utav en våning och en WC med tillhörande rör, därmed har det inte undersökts huruvida flöden från övervåning eller undervåning kan ha för påverkan på prestandan hos avloppssystemet vilket skulle kunna vara en intressant faktor. Det vore även

intressant att undersöka hur det sammanlagda flödet från flera sanitära apparater i kombination med minskad rördiameter kan påverkade den hydrauliska prestandan. Enligt Baroni et al gav en minskad rördiameter en förbättring på den hydrauliska prestandan, dock uppstod problem med hydrauliska hopp i förgreningen mellan stående och liggande ledning. Baroni et al hade en konstruktion likt installation 2 och i denna var det ingen y-gren vid anslutningsledning från WC, utan denna var ansluten direkt till den liggande stamledningen. Det skulle därför vara intressant att undersöka hur strömningsbilden i en y-gren vid anslutningsledning från toaletten påverkas av en förminskning av rördiametern. Det skulle kunna finnas en risk för ökad bakspolning eftersom en minskad rörledning med samma spolvolym ger ett större vattendjup, se figur 27 för illustration, och därmed större vågamplituder samt spridningsfenomen.

En ytterligare intressant faktor att undersöka är om ventilationen har en påverkan och huruvida denna kan anpassas för att öka den hydrauliska prestandan. Dessutom är det även intressant att undersöka vilken påverkan olika böjar och förgreningar har på flödet och om det finns några typer som är att föredra för att öka den hydrauliska prestandan samt minska engångsförluster. För att erhålla en definitiv slutsats för varför fekalier hamnar i golvbrunnen är det nödvändigt med ytterligare studier.

Figure 27 Illustration på vattendjup vid olika rördiameter.